呼和浩特抽水蓄能电站机组水泵工况的起动方式及实现.pdf
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呼和浩特抽水蓄能电站机组水泵工况的起动方式及实现朱义苏,赵建瑸,王乐(内蒙古呼和浩特抽水蓄能发电有限责任公司,内蒙古呼和浩特010050)摘要:
描述呼和浩特抽水蓄能电站水泵工况的起动方式及实现过程,尤其对SFC变频起动装置的工作原理、容量选择、起动性能要求进行了详细的介绍。
关键词:
水泵工况;起动方式;背靠背;SFC变频中图分类号:
TV734文献标识码:
B文章编号:
1672-5387(2012)06-0026-04收稿日期:
2012-02-27作者简介:
朱义苏(1979-),男,工程师,从事水电站机电设备安装、调试及技术管理工作。
0工程概况呼和浩特抽水蓄能电站位于呼和浩特市东北的大青山山脉中麓,距呼和浩特市中心约20km里程,工程由上水库、水道系统、地下厂房系统及下水库组成,总装机容量1200MW,安装4台单机容量为300MW的混流可逆式水泵水轮机组。
电站额定水头521m,上水库正常蓄水位1940m,下水库正常蓄水位1400m,下水库总库容717.1万m3,年抽水用电量26.767亿kWh,年发电量20.075亿kWh。
呼和浩特抽水蓄能电站(简称呼蓄)是蒙西电网首个抽水蓄能电站,蒙西电网以火电为主,风电比例较高,基本没有水电资源,火电调节效率低,风电基本不具备调节作用,呼和浩特抽水蓄能电站投运后,将承担起蒙西电网调峰、填谷及紧急事故备用的任务,同时兼有调频、调相的作用,优化蒙西电网电源结构,提高电网运行可靠性,同时也将改善其他形式电源的运行状况,提高系统运作的经济性。
1水泵工况起动方式抽水蓄能机组有发电、发电方向调相、水泵、水泵方向调相、停机5种基本工作状态,其中作为水泵方式工作时,如何起动电动机组,使机组起动电流不致过大,并对电网不产生过大扰动,是蓄能机组运行控制的关键技术问题。
目前抽水蓄能机组水泵工况起动方法主要有以下四种起动方式:
(1)异步起动:
被起动电动机在静止状态并网至同步转速,投入励磁,拉入同步。
异步起动分全压直接异步起动、降压异步起动。
全压直接异步起动瞬间将从系统吸收24倍被起动机组的额定功率,对电网冲击很大,适合容量较小的机组;降压异步起动起动转矩小、起动时间较长,从降压到全压过程仍然会对电网造成一定冲击。
(2)同步起动:
在被起动电动机机端输入变频三相同步电流,使被起动机组在同步转矩作用下随起动机组同步旋转,当输入功率逐渐增加,同步转速上升,实现同期并网。
这种可变频的电流可由另1台机组(背靠背)提供,也可由1台静止变频器提供,输出频率由零至额定值的交流电,产生旋转磁场拖动转子使机组转速上升至额定转速,达到同期条件,机组转速匀速上升,对电网几乎没有冲击。
(3)半同步起动:
一台发电机组在50%80%额定转速,60%70%额定电压时,拖动被起动电动机组,电动机异步起动至相同速度,再给被起动机组加励磁,使之与发电机同步,发电机同步加速到额定转速,被起动机组电动机同期并网、起动机组发电机解列,完成起动过程。
这种起动方式对电网没有影响,但控制方式复杂,对被起动机组电机的阻尼绕组有热强度和机械强度的特别要求,要能适应异步起动的条件。
(4)同轴小电动机起动:
电动机顶部安装1台同轴的小容量绕线式感应电动机,拖动电动机至额定转速,起励、加压、同期并网。
这种起动方式对电网影响较小,但增加了设备,运行中增加了损耗。
第35卷第6期水电站机电技术Vol.35No.62012年12月Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStationDec.201226综上所述,异步起动方式对电网产生较大冲击,同轴电动机起动方式需要专用的辅助电机,造成运行损耗,半同步起动方式控制复杂,而与其他起动方式相比,变频起动具有明显的优点,成为现代国内外大型抽水蓄能电站首选的起动方式。
呼和浩特抽水蓄能电站采用以静止变频器(SFC)起动为主,“背靠背”起动为辅的起动方式。
全厂4台机组配有1套SFC变频起动装置,正常情况下优先选用SFC起动方式,当SFC故障或者SFC多次起动失败时,采用“背靠背”拖动起动方式。
SFC变频起动装置能够连续起动全厂4台机组抽水,并留有2次起动失败再起动裕度,即一个工作周期能连续工作6次的能力。
变频起动装置通过起动母线与主回路连接,全厂设置一组起动母线,起动母线既可以供SFC使用,又可以供”背靠背”拖动起动使用,起动母线通过拖动刀(G)和被拖动刀(M)接至发电机断路器(GCB)两侧,并在被拖动刀与主接线连接处实现换相,以确保电动机相位正确,起动母线设置分段隔离开关,可以实现2台机组同时起动,2台同时“背靠背”起动或者1台背靠背起动+1台SFC起动,具体起动回路接线图如图1所示。
图1呼蓄电站起动回路接线图2“背靠背”起动过程根据同步电机转速公式n=60f/p(r/min),由于蓄能机组的极对数不变,同步电机的转速与电源频率保持严格的同步关系,改变同步电动机的转速n,可通过改变电源频率f的方法实现。
“背靠背”起动、SFC变频起动都是利用变频的方法,实现机组抽水工况运行时转速自零到额定转速的起动。
“背靠背”起动是就利用一台抽水蓄能机组工作在发电机状态,另一台被起动机组工作在电动机状态,两台机组建立电气轴联系,发电机从静止状态逐步加速并从零起升压,电动机加励磁,在发电机端电压的作用下,同步起动、加速至电动机同期并网,而后断开两机端电气连接,发电机停机,从而完成水泵工况下电机起动。
以呼蓄电站1号机组背靠背起动2号机组为例(见图1起动回路接线图),1号机组工作在发电状态作为起动电源,起动前将1号机组的换向开关1PRD断开、拖动刀1G、发电机出口断路器1GCB合闸,2号机组的2PRD工作在电动工况、被拖动刀2M合闸、2GCB断开,这样1号、2号机组机端就通过1GCB、1G、起动母线、2M连接在一起且和电网分开,两台机组的励磁调节器均选择在恒励磁电流状态运行,并分别加以适当的励磁,此值一般选择为空载励磁电流,起动时,1号工作在发电机状态,开启1号机组的导叶,其定子绕组端感应的低频电压经起动母线施加于2号机组,并产生起动转矩,使2号机组随1号机组同步旋转。
随着1号机组导叶逐渐开启,转速的上升、1号机组机端电压增加,当转速加速到约80%额定转速时投入各自的励磁调节器,而后继续同步升到额定值后,起动同期并网流程,2号机组通过2GCB同期并网,2号机组并网后,1号机组跳开1GCB,停机,并分开1G、2M起动刀闸,至此“背靠背”起动完成。
“背靠背”起动整个过程不从系统受电,对系统运行无任何影响。
但需设置起动母线及开关设备,电气接线和布置较复杂,操作及控制回路复杂。
“背靠背”起动需要一台机组作发电机起动其余机组,故当全部机组需投入抽水工况时,则需采用其它起动方式,如SFC起动方式。
3SFC变频起动装置组成及原理SFC变频起动则是利用整流器将交流电整流成直流电,逆变器再将直流电逆变为频率可调的交流电,利用频率可调的交流电源拖动起动机组,实现水泵电动机组从静止到同期并网,SFC变频起动原理接线图如图2所示。
图2SFC原理接线图朱义苏,等:
呼和浩特抽水蓄能电站机组水泵工况的起动方式及实现第6期27SFC的功率单元包括输入变压器、直流耦合电路、整流器、逆变器、输出变压器等设备(其中在5HZ低频状态时,考虑变压器传导性能差,旁路掉输出变压器)。
输入变压器利用其二次侧三角形绕组隔离滤波,减少整流器产生的谐波电压对电网的影响,降低电网谐波含量。
整流器和逆变器采用三相全控桥式电路,整流器将交流电整流成直流电,逆变器再将直流电逆变为频率可调的交流电。
整流器晶体管采用电源的交流电压换相,120导通型逆变器晶体管采用同步电动机的定子反电动势换相。
变频器每个桥臂由12个双极型晶体管BJT串联而成,冗余配置,单个晶体管的故障不影响变频器工作。
直流平波电抗器,用以抑制直流回路纹波,改善逆变器晶体管的工作条件,使变频器主回路的直流电流波形平直、脉动小,具有电流源特性。
根据电磁转矩公式:
Te=CMFrFssin(Fr为转子磁势的幅值,Fs为定子磁势的幅值,为定子磁势和转子磁势在空间的夹角,以电角度计),只要两磁动势之间的夹角0180,电机就能产生电磁转矩Te,拖动负载旋转。
当同步电机转子励磁电流一定时,转子磁场所产生的主磁通数值不变,但这时电机转子所受到的电磁力矩不仅与定子电流的大小有关,而且与定子电流的相位(即与转子磁场的相对位置)也有关。
只有检测出转子实际空间位置后,才能决定变频器的通电方式、控制模式以及输出电流的频率和相位,从而保证变频器的输出频率和电机转速始终保持同步,即定子频率自动地跟踪转子的旋转速度,而不产生失步和振荡。
获得转子位置信号的最常用方法是在电机上安装机械位置传感器,如光电、电磁、霍尔元件或接近开关等传感器。
但是,机械位置传感器增加了系统的复杂程度和安装、调试及维护的工作量,降低了系统的可靠性,在工作环境条件较恶劣时尤其如此,所以取消机械位置传感器,采取无传感器电磁感性位置检测方法是实际系统的优选方案,呼和浩特抽水蓄能电站就是采用后者,即根据电磁感应原理,若给定一阶跃变化的励磁电压Uf,励磁电流If跟随给定Uf变化,对应产生的变化的磁场会在机组定子三相绕组上感应出电压,而且三相感应电压的相位、幅值与转子的初始位置有关。
因此,可以根据机组励磁电流建立过程中检测到的三相定子电压,计算出转子的初始位置,并从中判定出电动机起动时刻控制其产生最大正向加速力矩的定子绕组。
变频起动从起动指令发出到起动完毕同步并网,大致经历起动加速、整步微调和同步并网三个阶段,其中起动加速阶段分为断相换流、自然换流两个阶段,在起动初始,电机转速较低,反电势较小,这是逆变回路采取断相换流,电动机加速到额定转速的5%10时,转入反电势自然换流。
整部微调阶段,主要利用压差、频差信号进行微调,使机端电压与电网平衡,频率与电网相等,当f0.25Hz、U5%Ue、SY(相位差)0时即进入同期并网阶段,在同期并网阶段,封锁整流器和逆变器的同步脉冲,与此同时,合上并网开关,跳开SFC两侧开关,SFC装置退出,即完成变频起动过程。
4SFC变频装置容量的选择SFC变频装置容量受机组转动惯量、起动阻力、额定转速、起动时间等因数的影响。
机组转动惯量越大,SFC的容量越大,起动过程中各种阻力越大,损耗越大,要求SFC容量越大;额定转速越高,SFC的容量越大;起动的时间要求越短,加速越快,SFC的容量越大。
呼蓄电站SFC要求能够在转轮室压水条件下连续起动全厂4台机组抽水,并预留2次起动失败再起动裕度,即一个周期内连续起动6次的能力,要求机组从静止至额定转速的加速时间不大于4min,并要求具备105%倍的额定转速,即525r/min。
t=2J525n=0乙60TD-TLdn;其中TD为SFC输出产生的拖动力矩,TL为起动过程中必须克服的机械负载产生的阻力力矩,J为机组转动惯量,为9106kg.m2,t加速时间,要求240s。
经过计算机模拟计算,17060kW的输出功率能够在235s内将机组拖动至500r/min,考虑SFC起动回路输入、输出变压损耗240kW(实际小于240kW),SFC变频器容量选为17300kW。
呼和浩特抽水蓄能电站水泵工况SFC变频起动过程特性曲线如下图3所示。
水电站机电技术第35卷28多种方法,只要将图中的每条多义线的顶点坐标值写入文件即可,简单的方法就是编写一个LISP程序,如果你稍通一点AUTOCAD内嵌式LISP语言,就可以很容易获取,在此不作详细累述。
本人在工作中用LISP语言编写了多个数据采集程序,由于源代码较长,在此不一一列出。
“等效率曲线.txt”文件的数据格式可能是(以表的格式储存):
(88(640.2851536.01)(640.151570.98)(640.2811610.8)(90(745.7121536.49)(745.5841569.62)(745.9221614.84)也可能是(以文本格式储存):
88640.2851536.01640.151570.98640.2811610.890745.7121536.49745.5841569.62745.9221614.845结语本文的主要目的是将水轮机模型综合特性曲线坐标值转换成与实际值一致,虽然单位转速值在转换时放大了10倍,这主要是为了视觉效果,不然曲线非常扁,如果需要的话可以在数据采集时将该单位转速值除以10后存储在数据文件里。
本文虽然是针对水轮机模型综合特性曲线的处理,其实可以扩展到其他任何曲线,因此,有着非常广泛的实用意义。
图6完整的曲线(上接第9页)图3SFC变频起动特性图5结语
(1)水泵电动机的可靠起动是保证抽水蓄能电站正常运行的重要环节之一,必须努力提高水泵电动机组的起动成功率。
(2)SFC变频起动具有明显的优点,是一种比较成熟、可靠的起动方式,已经成为现代国内外大型抽水蓄能电站首选的起动方式;背靠背”同步起动也是常用的起动方式,能有效的利用电站机组间拖动启动,但不能解决抽水蓄能电站最后一台水泵电动机组的起动问题,且“背靠背”起动时要消耗水库水量。
故呼和哈特抽水蓄能电站选用SFC变频起动方式作为水泵电动机起动的主用方式,“背靠背”同步起动方式作为电站备用起动方式,当SFC故障或者SFC多次启动不成功时采用“背靠背”起动方式。
(3)呼和浩特抽水蓄能电站选用17300kW容量SFC能够在4min内完成水泵电动机变频起动到额定转速,且具有一定的容量裕度,满足变频起动性能要求。
参考文献1何雄开.大型抽水蓄能机组的静止变频起动研究硕士学位论文.D.华中科技大学,2006.2陈湘匀,王俊生.静止变频器在可逆式机组中的应用J.水利水电科技发展,2002(4).!
朱义苏,等:
呼和浩特抽水蓄能电站机组水泵工况的起动方式及实现第6期29
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